美国布鲁克海文国家实验室开发一体化X射线成像工具用于核材料研究

美国能源部布鲁克海文国家实验室研究团队近日开发并搭建了一套新型实验装置，将四种X射线计算机断层扫描技术集成到同一台仪器中，可用于对下一代核反应堆材料开展多尺度、综合性研究。相关技术成果及能力展示已发表在《同步辐射杂志》上。

这套装置位于美国国家同步辐射光源II（NSLS-II）的X射线粉末衍射（XPD）光束线，由美国能源部核能办公室核科学用户设施项目、布鲁克海文国家实验室核科学与安全部门以及NSLS-II共同委托建造。研究人员表示，下一代核反应堆材料长期处于辐射、腐蚀、高温和机械应力等极端环境中，传统研究方式往往需要多台设备、多个实验流程才能获得较完整的信息，而新装置可在同一样品上完成多种成像分析。

该装置整合的四种技术包括X射线吸收CT、X射线荧光CT、X射线衍射CT和对分布函数CT。不同技术可分别揭示样品的物理结构、元素组成及分布、晶体材料的原子排列，以及非晶材料的局部结构信息。依托XPD光束线产生的高能“硬”X射线，研究人员能够穿透并分析钢材、核燃料等高密度、高原子序数材料；同时，光束可聚焦至约15微米宽，从而获得较高空间分辨率的结构和化学成分图谱。

布鲁克海文国家实验室研究人员介绍，辐射可能改变材料结构、引入缺陷，并导致元素重新分布。通过同时使用四种CT技术，研究人员可定位化学变化发生的位置，并将其与材料强度、脆性变化联系起来，从而更清晰地建立结构、成分与性能之间的关系。

为验证该装置性能，研究团队制备了一个包含不同尺寸和成分金属丝及多种粉末材料的测试样品。实验结果显示，该系统能够同时识别不同元素的位置、原子排列方式以及材料结构。若分别使用不同仪器完成四类测试，可能需要数小时甚至数天；此次集成装置约用6小时完成实验。研究团队正推进设备升级，希望将测试时间缩短至30分钟以内，以提高实验效率并扩大用户使用能力。

除核材料研究外，该装置也已用于探测水体修复和能源技术中多孔材料的内部结构，并正在支持电池充放电过程及其他极端条件材料的研究。研究人员表示，这一新实验站将帮助科学界以过去难以实现的方式研究核应用及相关领域材料，为下一代核反应堆材料研发提供支撑。